Exame Final Nacional de Física e Química A Prova 715 1.ª Fase Ensino Secundário 2019 11.º Ano de Escolaridade Decreto-Lei n.º 139/2012, de 5 de julho Decreto-Lei n.º 55/2018, de 6 de julho Duração da Prova: 120 minutos. Tolerância: 30 minutos. 14 Páginas VERSÃO 2 Indique de forma legível a versão da prova. Para cada resposta, identifique o grupo e o item. Utilize apenas caneta ou esferográfica de tinta azul ou preta. Não é permitido o uso de corretor. Risque aquilo que pretende que não seja classificado. É permitido o uso de régua, esquadro, transferidor e calculadora gráfica em modo de exame. Apresente apenas uma resposta para cada item. As cotações dos itens encontram-se no final do enunciado da prova. A prova inclui uma tabela de constantes, um formulário e uma tabela periódica. Nas respostas aos itens de escolha múltipla, selecione a opção correta. Escreva, na folha de respostas, o grupo, o número do item e a letra que identifica a opção escolhida. Utilize os valores numéricos fornecidos no enunciado dos itens. Prova 715.V2/1.ª F. Página 1/ 14
TABELA DE CONSTANTES Capacidade térmica mássica da água líquida c 418, 10 3 Jkg # 1 º C 1 Constante de Avogadro N 602, # 10 mol A 23 1 Constante de gravitação universal G 667, 10 # 11 N m kg 2 Índice de refração do ar n = 1,000 Módulo da aceleração gravítica de um corpo junto à superfície da Terra g = 10 m s -2 Módulo da velocidade de propagação da luz no vácuo c 300, 10 8 ms # 1 Produto iónico da água (a 25 o C) K w = 1,00#10-14 Volume molar de um gás (PTN) V m = 22,4 dm 3 mol -1 FORMULÁRIO Quantidade, massa e volume n = N M = m V N n A m = V n t = m V Soluções n n c = A xa V = ph = log {[H 3 O + ] / mol dm 3 } ntotal Energia E c = 1 2 m v 2 E pg = m g h E m = E c + E p W = F d cosa W = DE c U / D pg = RI P = R I 2 U f ri E = m cdt DU = W + Q E Mecânica x x vt 1 at2 0 0 v = v 2 0 + at a c = v r 2 mm F = ma Fg = G r 2 F g r = P A ~ = 2r v = w r T 1 2 Ondas e eletromagnetismo m = v Um BAcos a f n = c n v 1 sin a 1 = n 2 sin a 2 f i = DU Dt m Prova 715.V2/1.ª F. Página 2/ 14
Prova 715.V2/1.ª F. Página 3/ 14 TABELA PERIÓDICA DOS ELEMENTOS QUÍMICOS 55 Cs 132,91 56 Ba 137,33 57-71 Lantanídeos 72 Hf 178,49 73 Ta 180,95 74 W 183,84 75 Re 186,21 76 Os 190,23 77 Ir 192,22 78 Pt 195,08 79 Au 196,97 80 Hg 200,59 81 Tl 204,38 82 Pb 207,2 83 Bi 208,98 84 Po 85 At 86 Rn 37 Rb 85,47 38 Sr 87,62 39 Y 88,91 40 Zr 91,22 41 Nb 92,91 42 Mo 95,95 43 Tc 44 Ru 101,07 45 Rh 102,91 46 Pd 106,42 47 Ag 107,87 48 Cd 112,41 49 In 114,82 50 Sn 118,71 51 Sb 121,76 52 Te 127,60 53 I 126,90 54 Xe 131,29 19 K 39,10 20 Ca 40,08 21 Sc 44,96 22 Ti 47,87 23 V 50,94 24 Cr 52,00 25 Mn 54,94 26 Fe 55,85 27 Co 58,93 28 Ni 58,69 29 Cu 63,55 30 Zn 65,38 31 Ga 69,72 32 Ge 72,63 33 As 74,92 34 Se 78,97 35 Br 79,90 36 Kr 83,80 11 Na 22,99 12 Mg 24,31 13 Al 26,98 14 Si 28,09 15 P 30,97 16 S 32,06 17 Cl 35,45 18 Ar 39,95 3 Li 6,94 4 Be 9,01 5 B 10,81 6 C 12,01 7 N 14,01 8 O 16,00 9 F 19,00 10 Ne 20,18 1 H 1,01 2 He 4,00 90 Th 232,04 91 Pa 231,04 92 U 238,03 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr 58 Ce 140,12 59 Pr 140,91 60 Nd 144,24 61 Pm 62 Sm 150,36 63 Eu 151,96 64 Gd 157,25 65 Tb 158,93 66 Dy 162,50 67 Ho 164,93 68 Er 167,26 69 Tm 168,93 70 Yb 173,05 71 Lu 174,97 87 Fr 88 Ra 89-103 Actinídeos 105 Db 104 Rf 107 Bh 108 Hs 109 Mt Número atómico Elemento Massa atómica relativa 110 Ds 111 Rg 89 Ac 57 La 138,91 106 Sg 112 Cn 114 Fl 115 Mc 116 Lv 117 Ts 118 Og 113 Nh 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
GRUPO I Uma tina de ondas é um tanque de pequena profundidade que contém água e onde é possível, utilizando um gerador adequado, produzir ondas na superfície da água. O gerador pode ser ajustado de modo a produzir ondas de frequências diferentes. As imagens dessas ondas apresentam zonas mais claras, que correspondem a cristas, e zonas mais escuras, que correspondem a vales. 1. A Figura 1 apresenta uma imagem das ondas obtidas numa tina de ondas, numa determinada experiência. Na figura, estão ainda representados dois pontos, A e B, à superfície da água. A B Figura 1 1.1. Considere que o gerador de ondas está ajustado para 5,0 Hz e que a imagem é obtida num instante t. Quanto tempo decorrerá, no mínimo, entre o instante t e um instante no qual o ponto A se encontre num vale? (A) 0,20 s (B) 0,050 s (C) 0,10 s (D) 0,15 s 1.2. Se a distância entre os pontos A e B for 15,6 cm, o comprimento de onda das ondas que se propagam na superfície da água será (A) 3,12 cm (B) 2,60 cm (C) 2,23 cm (D) 1,30 cm Prova 715.V2/1.ª F. Página 4/ 14
2. Com o objetivo de determinar a velocidade de propagação das ondas produzidas na superfície da água contida numa tina, mediu-se o comprimento de onda, m, dessas ondas para várias frequências, f. Na tabela seguinte, estão registados os valores de f e de m medidos e ainda os inversos desses valores. 1 f / Hz m / cm /Hz- 1 f 1-1 m /cm 8,8 2,3 0,114 0,435 10,5 2,0 0,09524 0,500 12,7 1,6 0,07874 0,625 15,1 1,4 0,06623 0,714 20,3 1,0 0,04926 1,00 Determine a velocidade de propagação das ondas, em cm s -1, nas condições em que decorreu a experiência, a partir da equação da reta de ajuste a um gráfico adequado. Na sua resposta: identifique as variáveis independente e dependente a considerar nos eixos do gráfico; apresente a equação da reta de ajuste ao gráfico; obtenha o valor solicitado, com um número correto de algarismos significativos. Apresente todas as etapas de resolução, explicitando todos os cálculos efetuados. Prova 715.V2/1.ª F. Página 5/ 14
GRUPO II 1. Num ensaio laboratorial, adicionou-se uma amostra de água, a uma temperatura T, a uma outra amostra de água, de massa 350,0 g e inicialmente a 5,2 o C. Verificou-se que, após um determinado intervalo de tempo, o sistema resultante daquela adição ficou à temperatura de 27,9 o C. 1.1. Calculou-se a energia total cedida pela amostra de água inicialmente à temperatura T, tendo-se obtido 385, # 10 4 J. Conclua em que sentido terá ocorrido a transferência de energia entre o sistema resultante daquela adição e o exterior, até ser atingida a temperatura de 27,9 o C. Mostre como chegou à conclusão solicitada. 1.2. As temperaturas foram medidas com um termómetro digital, cujo funcionamento se baseia na variação da resistência elétrica de um fio condutor (constituinte do termómetro) com a temperatura. Para que o termómetro funcione adequadamente, a variação da potência dissipada por efeito Joule, no fio, deve ser desprezável. Considere que a resistência elétrica do fio aumenta 3,85 Ω por cada 10 o C de aumento de temperatura e que, na experiência realizada, o fio foi percorrido por uma corrente constante de 90, # 10-4 A. Verifique que, entre 5,2 o C e 27,9 o C, o aumento da potência dissipada naquele fio foi inferior a 10-5 W, sendo, por isso, desprezável. Apresente todas as etapas de resolução, explicitando todos os cálculos efetuados. 2. Para determinar experimentalmente a variação de entalpia (mássica) de fusão do gelo, adicionou-se gelo fundente a água previamente aquecida. 2.1. Para minimizar o erro nesta determinação, o gelo adicionado deve estar dividido em (A) pequenos fragmentos e ter sido colocado previamente em água a 0 o C. (B) grandes fragmentos e ter sido colocado previamente em água a 0 o C. (C) pequenos fragmentos e vir diretamente do congelador. (D) grandes fragmentos e vir diretamente do congelador. Prova 715.V2/1.ª F. Página 6/ 14
2.2. Na experiência realizada, mediu-se a massa do gelo fundente, a massa e a temperatura inicial da água, e a temperatura à qual o sistema resultante daquela adição atingiu o equilíbrio térmico. O que é necessário ainda conhecer para calcular a variação de entalpia (mássica) de fusão do gelo, considerando que o sistema é isolado? (A) Apenas a energia necessária à fusão de 1 kg de gelo. (B) Apenas a capacidade térmica mássica da água líquida. (C) A capacidade térmica mássica da água líquida e a capacidade térmica mássica do gelo. (D) A energia necessária à fusão de 1 kg de gelo e a capacidade térmica mássica da água líquida. GRUPO III Considere a reação traduzida por 2 H 2 O ( l )? H 3 O + (aq ) + OH - (aq ) 1. Na reação anterior, moléculas de água cedem (A) eletrões a iões OH - (aq ). (C) protões a iões OH - (aq ). (B) eletrões a moléculas de água. (D) protões a moléculas de água. 2. O produto iónico da água é 380, # 10-14, a uma temperatura T. Se, à temperatura T, o ph de uma água engarrafada for 6,90, essa água (A) não será neutra, uma vez que a concentração de H 3 O + (aq ) será inferior à de OH - (aq ). (B) será neutra, uma vez que o seu ph será próximo de 7. (C) não será neutra, uma vez que o seu ph será diferente de 7. (D) será neutra, uma vez que as concentrações de H 3 O + (aq ) e de OH - (aq ) serão iguais. 3. Dissolvendo em água, a temperatura constante, uma certa quantidade de uma base, a concentração de OH - (aq ) (A) aumenta, e o produto iónico da água mantém-se constante. (B) diminui, e o produto iónico da água não se mantém constante. (C) aumenta, e o produto iónico da água não se mantém constante. (D) diminui, e o produto iónico da água mantém-se constante. Prova 715.V2/1.ª F. Página 7/ 14
GRUPO IV A reação de síntese do amoníaco pode ser traduzida por N 2 ( g ) + 3 H 2 ( g )? 2 NH 3 ( g ) ΔH < 0 1. Nesta reação, a variação do número de oxidação do elemento que se reduz é (A) -1 (B) +3 (C) +1 (D) -3 2. Que volume de H 2 ( g ) terá de reagir, no mínimo, para se obter 35,0 dm 3 de NH 3 ( g ), em condições de pressão e de temperatura constantes? (A) 23,3 dm 3 (B) 105 dm 3 (C) 52,5 dm 3 (D) 35,0 dm 3 3. Considere um sistema fechado onde se encontram, em equilíbrio, as espécies envolvidas na reação considerada. Na Figura 2, apresentam-se os esboços dos gráficos da quantidade de equilíbrio, n, de uma daquelas espécies, em função da pressão, P, para duas temperaturas, T A e T B. n T B T A Figura 2 Conclua qual das temperaturas, T A ou T B, é menor, começando por verificar se a espécie a que o gráfico se refere é um reagente ou um produto da reação. Apresente, num texto estruturado e com linguagem científica adequada, a fundamentação da conclusão solicitada. P 4. Num reator com a capacidade de 0,50 L, foram introduzidas 6,00 mol de NH 3 ( g ). Quando o sistema químico atingiu o estado de equilíbrio, à temperatura T, verificou-se que existia no reator 86,6% da quantidade inicial daquele gás. Calcule a constante de equilíbrio, K c, da reação de decomposição do amoníaco, à temperatura T. Apresente todas as etapas de resolução, explicitando todos os cálculos efetuados. Prova 715.V2/1.ª F. Página 8/ 14
GRUPO V A Figura 3 representa, à escala, um diagrama de níveis de energia do átomo de hidrogénio, no qual são apresentados apenas os três primeiros níveis de energia. Energia / J 2, 42 10 # 19 5, 45 10 # 19 Níveis de energia n = 3 n = 2 218, 10 # 18 n = 1 Figura 3 1. A energia do nível n = 4 é 136, 10 - - # 19 J. 1.1. A que distância do nível n = 3 deveria estar o nível n = 4 no diagrama representado na figura? Mostre como chegou ao valor solicitado. 1.2. As riscas do espectro de emissão do átomo de hidrogénio, na região do visível, são originadas por transições eletrónicas para o nível n = 2. Conclua se, no espectro de emissão do átomo de hidrogénio, na região do visível, poderá existir uma risca a 345, # 10-19 J. Mostre como chegou à conclusão solicitada. 2. Qual é a energia mínima necessária para ionizar o átomo de hidrogénio no primeiro estado excitado? Prova 715.V2/1.ª F. Página 9/ 14
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GRUPO VI A 14 de outubro de 2012, Felix Baumgartner (FB), um paraquedista austríaco, subiu num balão de hélio até à estratosfera. A partir desse balão, FB realizou um salto até à superfície da Terra. 1. Um balão, cheio com 0,750 mol de hélio (He), tem um volume de 70,0 dm 3, a uma determinada altitude. A essa altitude recolheu-se uma amostra de 1,0 dm 3 de ar, medido em condições de pressão e de temperatura idênticas às existentes no interior do balão. A percentagem em volume de nitrogénio, N 2, na amostra de ar recolhida é 78%. Determine a massa de nitrogénio nessa amostra de ar. Apresente todas as etapas de resolução, explicitando todos os cálculos efetuados. 2. Na estratosfera existe uma camada de ozono, O 3 ( g ), que absorve parte da radiação ultravioleta proveniente do Sol. 2.1. Qual é a quantidade de ozono existente numa amostra de ar, de massa 5 10 2 g, numa zona da estratosfera na qual o ar contém 10 ppm (em massa) de ozono? (A) (C) 5# 10 3 mol (B) 5# 10 mol 1# 10 5 mol (D) 1# 10 mol 2.2. A molécula de ozono, O 3, é menos estável do que a molécula de oxigénio, O 2. Na Figura 4, está representado um modelo tridimensional da molécula de ozono. Figura 4 Na molécula de ozono, o átomo central comprimento da ligação oxigénio-oxigénio é eletrões de valência não ligantes, e o do que na molécula de oxigénio. (A) não apresenta... menor (C) apresenta... maior (B) apresenta... menor (D) não apresenta... maior Prova 715.V2/1.ª F. Página 11/ 14
3. No salto que realizou desde a estratosfera até à Terra, Felix Baumgartner (FB) foi o primeiro homem a quebrar a barreira do som sem qualquer veículo propulsor. Considere que a queda de FB em direção à Terra foi aproximadamente vertical. Na Figura 5, apresentam-se, para os primeiros 100 s de queda, os gráficos do módulo da velocidade, v FB, e da altitude, h, de FB, em função do tempo, t. Na figura, está também representada uma linha a tracejado, que traduz o modo como variou o módulo da velocidade do som, v som, ao longo da trajetória percorrida, durante aquele intervalo de tempo. v / m s 1 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 20 40 60 80 100 v FB v som t / s h / km 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 0 20 40 60 80 100 t / s Figura 5 Considere que o conjunto FB + equipamento pode ser representado pelo seu centro de massa (modelo da partícula material) e que a variação da aceleração gravítica com a altitude é desprezável. Prova 715.V2/1.ª F. Página 12/ 14
3.1. Qual foi o sentido da resultante das forças que atuaram sobre o conjunto FB + equipamento, nos primeiros 40 s de queda? 3.2. Qual foi, aproximadamente, a distância percorrida pelo conjunto FB + equipamento, no intervalo de tempo em que o módulo da sua velocidade aumentou? (A) 28 km (B) 23 km (C) 11 km (D) 19 km 3.3. No intervalo de tempo [50, 60] s, o módulo da aceleração do conjunto FB + equipamento, e a intensidade da resultante das forças que nele atuaram. (A) diminuiu... diminuiu (C) diminuiu... aumentou (B) aumentou... aumentou (D) aumentou... diminuiu 3.4. No intervalo de tempo [50, 100] s, a energia potencial gravítica do sistema FB + equipamento + Terra, e a energia mecânica do sistema. (A) diminuiu... permaneceu constante (C) aumentou... permaneceu constante (B) aumentou... diminuiu (D) diminuiu... diminuiu 3.5. Considere um referencial unidimensional Oy vertical, com sentido de cima para baixo. Qual dos esboços de gráfico seguintes poderá representar a componente escalar da posição, y, do conjunto FB + equipamento, em relação ao referencial Oy, em função do tempo, t, nos primeiros 100 s de queda? (A) y (B) y 0 t 0 t (C) y (D) y 0 t 0 t 3.6. Considere que a massa do conjunto FB + equipamento era 118 kg. Determine o trabalho realizado pela força de resistência do ar que atuou sobre o conjunto, no intervalo de tempo em que este se moveu com velocidade superior à velocidade do som. Apresente todas as etapas de resolução, explicitando todos os cálculos efetuados. FIM Prova 715.V2/1.ª F. Página 13/ 14
COTAÇÕES Grupo Item Cotação (em pontos) I 1.1. 1.2. 2. 7 7 10 24 II 1.1. 1.2. 2.1. 2.2. 7 10 7 7 31 III 1. 2. 3. 7 7 7 21 IV 1. 2. 3. 4. 7 7 10 10 34 V 1.1. 1.2. 2. 7 7 7 21 VI 1. 2.1. 2.2. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 10 7 7 7 7 7 7 7 10 69 TOTAL 200 Prova 715.V2/1.ª F. Página 14/ 14
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Prova 715 1.ª Fase VERSÃO 2